掃描電子顯微術(shù)實(shí)用教案

1、1. Resolution Improvement30kV1kV0.6 nm0.6 nm0.5 nm2.5 nm3.5 nm1.8 nmS-5200S-5000HS-5000Development of a new UHR Obj. Lens第1頁/共45頁第一頁，共45頁。第2頁/共45頁第二頁，共45頁。New S-4800 FE-SEM Resolution:1.0nm 15kV1.4nm 1kV第3頁/共45頁第三頁，共45頁。Objective Movable ApertureModel S-3000NSpecimen StageCRTElectron GunSE DetectorS

2、pecimen Chamber第4頁/共45頁第四頁，共45頁。O MT E MS E MVoltageHigh Voltage25300kVHigh Voltage0.530kVIlluminationSourceLightElectronElectronObservationIn AirIn VacuumIn VacuumLensGlassPole PiecePole PieceResolution5 0.1 m0.5 0.1 nm7 0.6 nmFocus Depth(X500)Shallow (23m)Deep (500m)Deep (0.11mm)x-rays AnalysisNot

3、 possiblePossiblePossible ColorColorBlack and WhiteBlack and WhiteMagnification1K1000K800KField of ViewLargeSmallLargeSpecimenPreparationEasyComplicatedEasySpecimen SizeLargeSmallLargeMetal coatingNot necessaryNot necessaryNecessaryImageTransmitted Imageor Surface ImageTransmitted ImageSurface Image

4、 H a r d w a r eS o f t w a r e P e r f o r m a n c eTypeCharacteristic第5頁/共45頁第五頁，共45頁。第一節(jié)結(jié)構(gòu)第一節(jié)結(jié)構(gòu)(jigu)原理原理掃描電鏡基本上是由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等四部分組成。在掃描電鏡中，電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)三個(gè)電磁透鏡聚焦后，成直徑20微米25的電子束。置于末級(jí)透鏡上部的掃描線圈能使電子束在試樣表面上做光柵狀掃描。試樣在電子束作用下，激發(fā)出各種信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度取決于試樣表面的形貌、受激區(qū)域的成分和晶體取向(q xin)。值得強(qiáng)調(diào)的是，入射電子束在試樣表面上是逐點(diǎn)掃描的

5、，像是逐點(diǎn)記錄的，因此試樣各點(diǎn)所激發(fā)出來的各種信號(hào)都可記錄下來。給試樣的綜合分析帶來極大的方便。第6頁/共45頁第六頁，共45頁。SE DetectorSpecimenCRTCameraAmplifierImage SignalHigh VoltageDeflection CoilsDeflection AmplifierVacuum PumpFilamentWehneltElectron GunAnodeCondenser LensDeflection CoilsObjective LensSpecimen ChamberScanning Electron BeamMag. Control第

6、7頁/共45頁第七頁，共45頁。PG1PG2FilamentCondenser Lens apertureOrificeNVVacuumGaugeVacuum controller (Real-time) Vacuumcondition presetRP1RP2DPLow VacuumConditionBSE detectorV8V6V9V3V4V1SpecimenV5V7High VacuumConditionV2第8頁/共45頁第八頁，共45頁。ImageSampleObjective Lens(Illumination Source)LumpO MCondenser LensProjec

7、tion LensScreenImageImageSampleSampleObjective LensElectron SourceCondenser LensDeflection CoilsSE DetectorC R TT E MS E MFluorescent screenScanning第9頁/共45頁第九頁，共45頁。FE TipTungsten Filament750mElectron SourceType of EmissionOperating Vacum (Pa)Brightness (A/cm2 str)Source Size (m)Energy Spred (eV)Lif

8、e Time (h)Tungsten FilamentThermonicField EmissionCold FE10-510-85x105108300.012.00.2502000第10頁/共45頁第十頁，共45頁。V= 2eVTungsten FilamentV= 0.2eVFE Tip第11頁/共45頁第十一頁，共45頁。WehneltAnodeElectron BeamV0Electron BeamV01st Anode2nd AnodeFlashing VoltageV1V0:Accelerating voltageV1: Extraction voltageBias Voltage

9、 Control ( 6.5kV)Filament Current ControlFilament第12頁/共45頁第十二頁，共45頁。In-Lens Type (S-5200)In-Lens Type (S-5200)Primary BeamPrimary BeamLensSE DetectorSE DetectorSpecimenSpecimen第13頁/共45頁第十三頁，共45頁。Out Lens Type (W-SEM, S-4300)Out Lens Type (W-SEM, S-4300)Primary BeamPrimary BeamLensSpecimenSE Detector

10、第14頁/共45頁第十四頁，共45頁。Snorkel Type (S-4700 & S-4800)Snorkel Type (S-4700 & S-4800)SE DetectorSE Detector( Upper )( Upper )SpecimenLensLensPrimary beamPrimary beamSE detectorSE detector( Lower)( Lower)第15頁/共45頁第十五頁，共45頁。Focal LengthObjective LensObjective Movable ApertureSpecimenWorking Distance

11、Electron SourceElectron Beam第16頁/共45頁第十六頁，共45頁。LensLensPrimary beamPrimary beamUpperHigh ResolutionLowerTopographic ImageNon Conductive SamplesSelect Upper andSelect Upper andLower Lower DetectorsDetectors第17頁/共45頁第十七頁，共45頁。PrimarybeamLensSEDetectorSpecimen )In-lens typePrimarybeamSEDetectorLensSpec

12、imen )Conventional type(Out-Lens)SEDetector(Upper)SpecimenLensPrimarybeam )Snokel typeSEDetector(Lower)Hi-SEMS-4300S-4700S-5200第18頁/共45頁第十八頁，共45頁。Primary Electron Beam eeObjective LensBSE DetectorResidual GasHigh Pressure (1.0Pa270Pa） ）Non ConductiveSpecimenP Pr re es ss su ur re eMMe ea an n F Fr r

13、e ee e P Pa at th h1 10 0- -3 3P Pa a1 10 00 0mmmm1 13 3P Pa a1 10 0mmmm2 27 70 0P Pa a0 0. .5 5mmmm第19頁/共45頁第十九頁，共45頁。Beam DiameterBefore correctionObjective LensElectron SourceElectron BeamXYElectron BeamElectron SourceObjective LensStigmatorAfter correctionYXStigmatorBeam Diameter第20頁/共45頁第二十頁，共4

14、5頁。PhotomultiplierPrimary Electron BeamSpecimenPhotonsLight GuideSignalCRT+10kVSecondary ElectronPhosphorsAl Coating LayerPhoto Multiplier Tube第21頁/共45頁第二十一頁，共45頁。第二節(jié)分辨率和放大第二節(jié)分辨率和放大(fngd)倍倍數(shù)數(shù)一、分辨率掃描電鏡的分辨率有兩重意義：對微區(qū)成分而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離。這兩者主要決定入射電子束的直徑，但并不直接等于直徑。二是由所接收信號(hào)的激發(fā)區(qū)域半徑?jīng)Q定。二、放大

15、倍數(shù)掃描電鏡的放大倍率M取決于顯像管熒光屏尺寸S2和入射束在試樣(sh yn)表面掃描距離S1之比，即第22頁/共45頁第二十二頁，共45頁。三、入射電子在試樣內(nèi)的激發(fā)區(qū)域入射電子在被散射或吸收之前，將在試樣表面下的某個(gè)距離(jl)R范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并激發(fā)各種射線。這些射線的能量或穿透能力各不相同，只有一定深度一定能量的射線才能逸出表面，被檢測到。對于一般元素而言，電子束與試樣作用，激發(fā)區(qū)域是一個(gè)梨形作用區(qū)。對重金屬而言，此激發(fā)區(qū)域是一個(gè)半球形區(qū)域。不同的信號(hào)來自此激發(fā)區(qū)內(nèi)不同的深度。第23頁/共45頁第二十三頁，共45頁。BackscatteredBackscatteredElectronEle

16、ctronSecondary ElectronSecondary ElectronVaccumVaccumSimons,et.alSimons,et.al第24頁/共45頁第二十四頁，共45頁。 SEPrimary Electron BeamBSESpecimen特征X射線熒光X射線俄歇電子dZBZXZFRBRXRF各種信號(hào)發(fā)生的深度(shnd)（Z）和廣度（R）第25頁/共45頁第二十五頁，共45頁。Secondary ElectronsCarrying Surface Information Of Specimen一 一一一一一一一一一一一一一一ZExcitation Depthfor S

17、econdaryElectron Emission一一一Secondary ElectronsSESESecondary ElectronsCarrying Inner InformationOf SpecimenPrimary Electron BeamBSEBackscatteredElectronsSpecimen第26頁/共45頁第二十六頁，共45頁。1kV2kV3kV1020304050(nm)BeamInvadingdepth第27頁/共45頁第二十七頁，共45頁。Primary Electron BeamSecondary ElectronBackscattered Electr

18、onCathodeluminescenceSpecimen CurrentTransmitted ElectronElectron Beam Induced CurrentSecondary Electron Detector10nm(Excitation Volume for Secondary Electron Emission)Transmitted Electron (Scattered) Characteristic X-Ray第28頁/共45頁第二十八頁，共45頁。第三節(jié)第三節(jié) 電子束與試樣相互作用激發(fā)電子束與試樣相互作用激發(fā)(jf)(jf)的各種信號(hào)及工作方式的各種信號(hào)及工作方式

19、一、發(fā)射方式-二次電子 二次電子能量大致在030eV之間，多數(shù)來自表面層下部550深度之間。二次電子信號(hào)(xnho)對試樣表面狀態(tài)非常敏感。二、反射方式-被反射電子 能量與入射電子能量相當(dāng)，來自表面層幾個(gè)微米的深度范圍。被反射電子信號(hào)(xnho)可以顯示表面形貌，還可以顯示元素分布。三、吸收方式-吸收電子 吸收電子成像襯度與二次電子、被反射電子像襯度相反，可以顯示元素分布和表面形貌，尤其是裂縫內(nèi)部微觀形貌。第29頁/共45頁第二十九頁，共45頁。四、透射方式-透射電子 透射電子中既有彈性散射電子也有非彈性散射電子。其能量大小取決于試樣的性質(zhì)和厚度?？梢燥@示成分(chng fn)分布。五、俄歇電

20、子方式-俄歇電子 能量極低，具有元素的特征能量，適合于做表層成分(chng fn)分析。六、X射線方式-特征X射線 高能入射電子轟擊固體試樣，就好像一只X射線管，試樣是其中的靶。特征X射線的波長因試樣元素不同而不同，其相對強(qiáng)度與元素含量有關(guān)。七、陰極發(fā)光方式-可見光 有些物質(zhì)在高能電子束轟擊下會(huì)發(fā)光，發(fā)光波長與雜質(zhì)原子和基體物質(zhì)有關(guān)。對發(fā)光光譜做波長分析，可以鑒別出基體第30頁/共45頁第三十頁，共45頁。物質(zhì)和所含的雜質(zhì)。用光電倍增管接收、成像就可以顯示雜質(zhì)及晶體缺陷分布情況。八、感應(yīng)信號(hào)方式-感應(yīng)電信號(hào) 半導(dǎo)體和絕緣體在高速電子束的轟擊下會(huì)在其中(qzhng)產(chǎn)生空穴-電子對，感應(yīng)信號(hào)就是

21、以此作信號(hào)的一種工作方式。這種方式可以顯示半導(dǎo)體、絕緣體的表面形貌、晶體缺陷、微等離子體和p-n結(jié)。第31頁/共45頁第三十一頁，共45頁。10010,0001Energy of Electron (eV) Quantity of Electrons(Incident beam energy : 10,000eV)Secondary ElectronsBackscattered Electrons第32頁/共45頁第三十二頁，共45頁。Scanning(Y)Scanning (X)lScanning Electron ProbeSpecimenScanning Electron Beam of

22、 CRTLPixelC R TMagnification :( M)=L / l第33頁/共45頁第三十三頁，共45頁。第34頁/共45頁第三十四頁，共45頁。第四節(jié)第四節(jié) 形貌形貌(xn mo)(xn mo)象解釋象解釋二次電子產(chǎn)額強(qiáng)烈依賴于入射束與試樣表面法線間的夾角，也就是說，如果試樣表面是凸凹不平的話，法線與入射束夾角大的面發(fā)射的二次電子多，反之則少。其二是二次電子的實(shí)際(shj)收得率是呈角分布的。探測器愈是垂直于試樣表面，所收集到的二次電子數(shù)也就愈多。(a) =050Rr1(b) =4550Rr250Rr3(c) =65r3r2r1入射電子在試樣(sh yn)表層下50深度內(nèi)所經(jīng)路

23、程隨面法線間夾角的變化 第35頁/共45頁第三十五頁，共45頁。9090603003060試樣0204060 80246810接收的二次電子二次電子收得數(shù)(dsh)角分布曲線二次電子收得數(shù)(dsh)與入射束-試樣面法線間夾角分布曲線第36頁/共45頁第三十六頁，共45頁。Focus Depth DeepFocus Depth ShallowSpecimen : Si on Photo Resist Pattern第37頁/共45頁第三十七頁，共45頁。After correctionBefore correctionSpecimen:Trachea of rat第38頁/共45頁第三十八頁，共45頁。W filament SEMOut lens FE-SEMSnorkel lens FE-SEMIn-Lens FE-SEM0.5 1.0 10 300.51.01020Acc.(kV)Resolution (nm)第39頁/共45頁第三十九頁，共45頁。 High Acclerating Voltage Low Acclerating V